ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЯРНЫХ ЦИКЛОНОВ В МОРЯХ СЕВЕРО-ЕВРОПЕЙСКОГО БАССЕЙНА тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.28, кандидат наук Смирнова Юлия Ефимовна

• Смирнова Юлия Ефимовна
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Смирнова Юлия Ефимовна

Введение

Глава 1 Полярные циклоны в Арктике

1.1 Основные характеристики мезомасштабных циклонов. Понятие полярного циклона

1.2 Особенности формирования полярных циклонов

1.3 Описание типов полярных циклонов, полученных по спутниковым данным

1.4 Влияние полярных циклонов на морскую деятельность в Арктическом бассейне

1.5 Влияние полярных циклонов на океаническую циркуляцию

1.6 Современные методы обнаружения и исследования полярных циклонов

1.6.1 Моделирование полярных циклонов

1.6.2 Анализ полей облачности по данным радиометров и спектрорадиометров в видимом и инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра

1.6.3 Изучение полей приводного ветра по данным активных микроволновых приборов - скаттерометров, радаров с синтезированной апертурой

1.6.4 Использование данных спутниковых микроволновых радиометров для изучения полярных циклонов

1.7 Полярные циклоны в морях Арктического региона и особенности региона исследования

1.8 Климатологические работы, посвященные полярным циклонам

Выводы по главе:

Глава 2 Метод обнаружения полярных циклонов на основе данных спутниковых радиометров

2.1 Методические основы спутникового пассивного микроволнового зондирования системы океан-атмосфера и их особенности применительно к полярным циклонам

2.2 Метод обнаружения полярных циклонов по данным спутниковых микроволновых радиометров

2

2.2.1 Описание метода обнаружения полярных циклонов

2.2.2 Мультисенсорный анализ обнаруженных полярных циклонов

Выводы по главе:

Глава 3 Анализ пространственных и сезонных особенностей распределения частоты образования полярных циклонов и закономерности распределения количества полярных циклонов по их основным характеристикам над морями СевероЕвропейского бассейна за период 1995-2009 гг

3.1 Закономерности пространственного и сезонного распределения полярных циклонов

3.2 Взаимосвязь между циклонической активностью и площадью ледяного покрова в исследуемом регионе

3.3 Оценки среднемноголетних характеристик полярных циклонов и распределения количества полярных циклонов по основным характеристикам

3.3.1 Методика определения основных характеристик полярных циклонов

3.3.2 Анализ полученных основных характеристик полярных циклонов

3.4 Анализ результатов

Выводы по главе:

Заключение

Список использованных источников

Приложение А. Свидетельство о регистрации базы данных полярных циклонов по данным микроволнового радиометра SSM/I с 1995 по 2009 для морей СевероЕвропейского бассейна

Приложение Б. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Полуавтоматический метод расчета параметров поялрных циклонов в высоких

широтах (SIMPLe)»

Приложение В. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Метод построения визуализации траектории движения полярных циклонов в высоких широтах по данным спутниковых пассивных микроволновых радиометров (У1гТиАЬ)»

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЯРНЫХ ЦИКЛОНОВ В МОРЯХ СЕВЕРО-ЕВРОПЕЙСКОГО БАССЕЙНА»

Актуальность темы диссертации

Полярные циклоны (ПЦ) представляют собой кратковременные, но исключительно интенсивные атмосферные мезомасштабные вихри, образующиеся над свободной ото льда морской поверхностью к полюсу от основной бароклинной зоны (полярного фронта или другой обширной бароклинной зоны). Характерный пространственный размер этих вихревых образований составляет менее 1000 км, а время жизни, как правило, не превышает 1-2 дня, что в совокупности зачастую не позволяет обнаруживать ПЦ на синоптических картах. Скорость приповерхностного ветра, развиваемая в ПЦ, превышает 15 м/с, что является главной особенностью, позволяющей выделить их в отдельный подкласс мезомасштабных циклонов.

Актуальность исследований ПЦ, в первую очередь, обусловлена их большой разрушительной силой и создаваемой ими угрозой безопасности судоходства в высоких широтах в целом и по Северному морскому пути в частности. Специфическую опасность для морской деятельности представляет обледенение, вероятность и интенсивность которого возрастает за счет штормового ветра и высоких волн, сопутствующих ПЦ. Наиболее интенсивные ПЦ могут предоставлять угрозу для платформ по добыче углеводородов на Арктическом шельфе. Кроме того, изучение ПЦ приобретает актуальность и в связи с резким уменьшением в последние годы площади Северного Ледовитого океана, покрытой многолетними морскими льдами, что приводит к появлению новых районов открытой воды, являющихся потенциально пригодными для возникновения и развития ПЦ в акваториях морей российского сектора Арктики.

Кроме того, ПЦ в Арктическом регионе оказывают влияние на крупномасштабную циркуляцию океана. За счет высоких скоростей приводного

4

ветра и, как следствие, интенсивного взаимодействия между морем и атмосферой тепловые потери поверхности моря могут превышать 1000 Вт/м2 (Condron and Renfrew, 2013). Этого достаточно для того, чтобы увеличить глубину, частоту и площадь глубокой конвекции в морях Северо-Европейского бассейна, что, в свою очередь, может повлиять на термохалинную океаническую циркуляцию (Marshall and Schott, 1999).

Однако, несмотря на большое значение ПЦ как для производственной деятельности в Арктике, так и для климатической системы Земли, их изученность на данный момент явно недостаточна. Это обусловлено как трудностями их обнаружения на приземных картах погоды, моделирования и прогнозирования, так и недостатком данных наблюдений. В районах основного распространения ПЦ регулярные гидрометеорологические наблюдения практически отсутствуют, поэтому основным источником информации о ПЦ являются спутниковые наблюдения.

Степень разработанности темы

Начиная с появления первых искусственных спутников Земли в 60-х годах прошлого столетия и по настоящее время, изучение ПЦ, в основном, базируется на визуальном анализе спутниковых изображений облачного покрова, полученных инфракрасными (ИК) радиометрами (Wilhelmsen, 1985; Blechschmidt, 2008).

Однако, статистика ПЦ, полученная при анализе снимков в ИК диапазоне,

может оказаться заниженной, поскольку эти данные содержат информацию лишь о

верхнем слое облаков. И, несмотря на относительно высокое пространственное

разрешение (например, 1 км для ИК измерений Advanced Very High Resolution

Radiometer; AVHRR), часть ПЦ оказывается скрыта верхними облаками и не

идентифицируется в полях облачности. Пространственно-временные распределения

ПЦ в Северо-Европейском бассейне, приведенные в ряде работ (Wilhelmsen, 1985;

Blechschmidt, 2008; Zahn and von Storch, 2008; Noer et al., 2011), основаны либо на

визуальном анализе спутниковых ИК изображений или приземных карт погоды,

либо на анализе данных глобальных атмосферных реанализов и результатов

численного моделирования. Данные реанализов также не позволяют обнаруживать

5

значительное число ПЦ, в том числе при использовании их в качестве входных параметров для численных моделей (Zappa et al., 2014; Laffineur et al., 2014). Таким образом, существующие оценки частоты образования ПЦ и основных районов их образования в регионе исследования являются неточными.

Существенно меньшее количество исследований ПЦ основано на использовании данных пассивных микроволновых радиометров, по которым возможно восстановление интегральных параметров атмосферы, а не только характеристик верхней границы облаков. Отдельные работы, описывающие некоторые случаи обнаружения ПЦ с использованием микроволновых радиометрических данных, появились лишь в последние годы. Систематизация же ПЦ по этим данным, позволяющим более точно оценить частоту зарождения ПЦ в высоких широтах, не осуществлена до сих пор. Цели работы

Целью данной работы является анализ пространственно-временного распределения ПЦ над морями Северо-Европейского бассейна (Баренцево, Норвежское и Гренландское моря), а также определение их индивидуальных характеристик (максимальное и минимальное значение влагозапаса атмосферы, диаметр, время жизни, максимальная скорость ветра, пройденное расстояние и скорость передвижения) за период 1995-2009 гг. для выявления общих закономерностей и тенденций, связанных с этим явлением, по данным измерений спутниковых пассивных микроволновых радиометров, ранее не использовавшихся для подобных целей.

Задачи исследования

Для достижения поставленных целей в ходе работы решались следующие задачи:

- анализ существующих исследований, посвященных ПЦ, в целях выбора оптимального метода идентификации ПЦ, позволяющего наиболее точное обнаружение ПЦ в исследуемом регионе;

- создание базы данных измерений спутниковых микроволновых радиометров

Special Sensor Microwave/Imager (SSM/I) за 1995-2009 гг. над морями Северо-

6

Европейского бассейна и применение алгоритма восстановления геофизических параметров атмосферы ко всему объему данных;

- визуальный анализ полученных полей влагозапаса атмосферы и скорости приводного ветра (94976 файла). Идентификация в полях вихревых образований, потенциально являющихся ПЦ, т.е. соответствующих критериям: диаметр и время жизни менее 1000 км и 48 ч, соответственно; применение критерия скорости приводного ветра (более 15 м/с) для определения принадлежности обнаруженных вихревых образований к классу ПЦ;

- привлечение дополнительных спутниковых данных (скаттерометрических, инфракрасных, радиолокационных) для всех обнаруженных случаев с целью детального изучения проявлений ПЦ в полях облачности и скорости ветра;

- создание климатологии ПЦ, основанной на данных измерений спутниковых пассивных микроволновых радиометров;

- выявление пространственно-временных особенностей частоты образования ПЦ, а также расчет и анализ основных характеристик ПЦ;

- статистический анализ связи между частотой образования ПЦ и площадью ледяного покрова в исследуемом регионе.

Материалы и методы исследования

С целью решения поставленных задач использовались следующие материалы:

- радиояркостные температуры, измеренные спутниковым микроволновым радиометром SSM/I;

- поля скорости приводного ветра, восстановленные по данным спутникового микроволнового радиометра SSM/I (http://www.remss.com);

- поля скорости приводного ветра, восстановленные по данным спутникового скаттерометра QuikSCAT SeaWinds (http://poet.jpl.nasa.gov);

- снимки радара с синтезированной апертурой и восстановленные по ним поля скорости приводного ветра;

- инфракрасные снимки радиометра АУНЯЯ (http://www.sat.dundee.ac.uk).

Методологическую основу выполненных работ составили методы математического, статистического и синоптического анализа. Поля геофизических параметров были восстановлены по методике, описанной в работе ВоЬу^ et а1. (2010). Вихревые образования, потенциально являющиеся ПЦ, были обнаружены с использованием метода визуального анализа полей влагозапаса атмосферы и синоптического анализа. Для анализа достоверности полученных коэффициентов корреляции использовались методы статистической проверки гипотез (^критерий Стьюдента). Расчет геофизических параметров и их визуализация, а также расчет индивидуальных характеристик ПЦ осуществлялись с помощью программного пакета «МаАаЬ».

Научная новизна

• Впервые для последовательного обнаружения ПЦ за достаточно длинный временной период применен метод, основанный на измерениях спутниковых микроволновых радиометров;

• Впервые продемонстрировано, что использование измерений спутниковых микроволновых радиометров ведет к приблизительно 5-процентному увеличению числа обнаруживаемых ПЦ по сравнению с использованием исключительно инфракрасных спутниковых снимков;

• Впервые создана климатология ПЦ над морями Северо-Европейского бассейна за 14 сезонов с сентября по апрель в период 1995-2009 гг. с применением метода, основанного на обнаружении ПЦ в полях влагозапаса атмосферы, восстановленных по данным спутниковых микроволновых радиометрических измерений, не использовавшихся ранее для подобных задач;

• Уточнены оценки частоты образования ПЦ (количество циклонов в год и в месяц). Показано, что они значительно превышают оценки, полученные в предыдущих работах. Кроме того, обнаружена тенденция (2.6%) к увеличению количества ПЦ за исследуемый период;

• Впервые установлено, что наибольшее количество ПЦ в рассматриваемом

районе образуется в марте, а не в январе, как считалось ранее, исходя из предыдущих работ;

• Уточнено пространственное распределение ПЦ в морях Северо-Европейского бассейна, на основании которого были получены результаты, существенно отличные от предыдущих работ, основанных на ИК данных и результатах моделирования, и позволившие произвести оценку степени угрозы, которой могут подвергаться те или иные локальные регионы исследуемой области. В частности, показано, что число случаев зарождения ПЦ в Баренцевом море значительно выше, чем считалось ранее;

• На основании существенно большего объема выборки уточнены среднемноголетние (за период 1995-2009 гг.) оценки характеристик ПЦ в рассматриваемом регионе, а именно, средние диаметр, время жизни, скорость перемещения, пройденное расстояние, максимальная скорость ветра, максимальные и минимальные значения влагозапаса атмосферы в ПЦ, а также распределения количества ПЦ по этим характеристикам;

• Впервые выявлена высокая статистическая взаимосвязь между площадью ледяного покрова в Баренцевом море и частотой образования ПЦ. Теоретическая и практическая значимость

Составленная в ходе работы база ПЦ в Северо-Европейском бассейне

предоставляет возможность проанализировать и уменьшить риски эксплуатации

нефтегазовых сооружений, оценить безопасность мореплавания, в том числе по

Северному морскому пути, выявить наиболее опасные для рыбного промысла и

прибрежного строительства районы из рассматриваемого региона.

Апробированный в данной работе метод обнаружения и изучения ПЦ может

быть применен для изучения индивидуальных характеристик и пространственно-

временного распределения ПЦ в любом другом регионе, в частности, в морях

восточного сектора Арктики.

Анализ пространственно-временного распределения и индивидуальных

характеристик ПЦ за достаточно длинный временной ряд (14 сезонов) позволил

углубить фундаментальные знания о ПЦ. Кроме того, в ходе данной работы, на

9

примере Баренцева моря, впервые показано, что уменьшение площади Северного Ледовитого океана, покрытой многолетними морскими льдами, ведет к образованию большего количества ПЦ.

Обнаруженные в ходе работы ПЦ представлены на портале Arctic Syntool (http://arctic.solab.rshu.ru/) в Лаборатории Спутниковой Океанографии РГГМУ.

Полученная база данных и полуавтоматические алгоритмы по расчету и визуализации основных характеристик ПЦ впоследствии были запатентованы.

Работа выполнялась в рамках проекта Лаборатории Спутниковой Океанографии, которая была создана в РГГМУ в соответствии с решением Совета по грантам Правительства Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования (протокол от 21 сентября 2011 г. №7) в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 220, а также в рамках программы Nansen Fellowship Program для аспирантов российских университетов и научно-исследовательских институтов в научном фонде «Международный центр по окружающей среде и дистанционному зондированию имени Нансена» Положения, выносимые на защиту

• Наиболее полная база обнаруженных ПЦ, показывающая, что среднее за сезон число генерируемых ПЦ в Северо-Европейском бассейне, -45.5, существенно превышает полученные ранее оценки;

• Закономерности пространственного и сезонного распределения ПЦ, указывающие основные районы их распространения и интенсификацию генерации ПЦ в марте;

• Оценки средних многолетних значений и распределения следующих характеристик ПЦ: диаметр, время жизни, скорость передвижения, пройденное расстояние, максимальная скорость ветра, максимальные и минимальные значения влагозапаса атмосферы в ПЦ;

• Оценки взаимосвязи частоты образования ПЦ с площадью ледяного покрова.

Достоверность

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается детальным анализом обнаруженных ПЦ с привлечением всех доступных данных. Дополнительный анализ полей облачности и влагозапаса атмосферы за три дня до случая ПЦ и три дня после позволил исключить из рассмотрения атмосферные образования, не являющиеся ПЦ (например, диссипирующие синоптические системы). Основные результаты и выводы, полученные в диссертации, опубликованы в ведущих рецензируемых российских и зарубежных журналах, представлялись на международных и российских конференциях, симпозиумах и семинарах.

Соответствие диссертации паспорту специальности

Исследование ПЦ в морях Северо-Европейского бассейна является частной задачей океанологии, решаемой с целью изучения процессов и циклов переноса энергии и вещества с участием океана, а также выработки практических рекомендаций в области экономического использования пространств и ресурсов Мирового океана. Результаты работы соответствуют паспорту специальности «25.00.28 Океанология» по следующим пунктам: 9. Взаимодействие в системе литосфера - гидросфера - атмосфера; 14. Основы хозяйственной деятельности в Мировом океане, в том числе в областях воздействия опасных океанологических процессов;

16. Методы проведения судовых, береговых и дистанционных океанологических наблюдений, их обработки и анализа.

Апробация работы и публикации

Результаты, полученные в данной работе, докладывались и обсуждались на семинарах научного фонда «Нансен-Центр», Лаборатории спутниковой океанографии, а также работа была представлена на российских и международных конференциях:

1. International conference «Fluxes and structures in fluids: physics of geospheres» (Москва, Россия, 2009);

2. International Conference for the 50'th anniversary of the IOC UNESCO «50 years

11

of Education and Awareness raising for shaping the Future of the Oceans and Coasts» (Санкт-Петербург, Россия, 2010);

3. International Scientific Conference «Water, Ecology and Hydrology security» under the auspices of UNESCO (Санкт-Петербург, Россия, 2010);

4. 8th Baltic Sea Science Congress (Санкт-Петербург, Россия, 2011);

5. Summer school «Impact of climate change on resources, maritime transport and geopolitics in the Arctic and the Svalbard area» (Шпицберген, Норвегия, 2011);

6. Всероссийская открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования из космоса» (Москва, Россия, 2011)

7. Arctic Frontiers 2012 conference «Energies of the High North» (Тромсё, Норвегия, 2012);

8. Arctic Frontiers 2013 conference «Geopolitics and Marine Production in a Changing Arctic» (Тромсё, Норвегия, 2013);

9. Конференции молодых специалистов по проблемам гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды (Обнинск, Россия, 2013);

10. International conference «Fluxes and structures in fluids: physics of geospheres» (Санкт-Петербург, Россия, 2013);

11. 19th Satellite Meteorology, Oceanography, and Climatology Conference, American Meteorological society (AMS) (Вена, Австрия, 2013);

12. 20th EUMETSAT Meteorological Satellite Conference (Женева, Швейцария, 2014)

13. Международный научный семинар «Remote sensing of dangerous events in the ocean-atmosphere system» (Санкт-Петербург, Россия, 2015).

Результаты работы приведены в 4 статьях, опубликованных в научных журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных Президиумом Высшей аттестационной комиссии и в 3 патентах. Личный вклад автора

Автор работы принимал участие на всех этапах исследования от постановки

задачи до анализа результатов, разрабатывал программы, реализующие методы

12

расчета характеристик ПЦ, производил обработку всего массива спутниковых данных, в том числе визуальный анализ 94976 изображений восстановленных полей влагозапаса атмосферы по данным спутникового микроволнового радиометра.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 113 страницах текста, включая 48 рисунков, 1 таблицу и 3 приложения. Библиография диссертационной работы составляет 72 наименования.

Глава 1 Полярные циклоны в Арктике

1.1 Основные характеристики мезомасштабных циклонов. Понятие полярного

циклона

Мезомасштабными циклонами (МЦ) называют циклонические циркуляции в умеренных и высоких широтах с горизонтальными размерами, не превышающими 1000 км, которые зарождаются и продолжают существовать вне прямой связи с фронтальными системами синоптического масштаба. Мезомасштабным вихрям соответствуют участки повышенной циклонической завихренности в средней тропосфере и повышенная термическая неустойчивость в нижней тропосфере, возникающая в результате перемещения холодной воздушной массы над более теплой подстилающей поверхностью (Воробьев, 1991). Резюмируя данные о сходствах и отличиях мезомасштабных вихрей от циклонов синоптического масштаба, полученные различными авторами на основании анализа отдельных случаев, можно заключить, что часть таких вихрей, особенно с облачной системой в виде запятой, имеет строение в целом сходное со строением фронтального циклона. В то же время, некоторые из них обладают существенной осевой симметрией, характерной скорее для тропических циклонов (Emanuel and Rotunno, 1989; Голицын, 2008).

Полярные циклоны (ПЦ) являются подгруппой мезомасштабных циклонов,

которой характерны наиболее высокие значения скорости приводного ветра

(превышающие 15 м/с). ПЦ представляют собой кратковременные, но

исключительно интенсивные погодные явления, имеющие масштаб до 1000 км и

характеризующиеся мощными осадками. Время жизни таких циклонов не

14

превышает 1-2 дней, что, совместно со сравнительно небольшими размерами, затрудняет их обнаружение и изучение. Данные критерии соответствуют широко используемому определению ПЦ, приведенному в работе Rasmussen and Turner (2003).

Одна из первых ссылок на явление, известное сегодня как ПЦ, была сделана в норвежской книге для пилотов 1954 года (Dannevig, 1954), где описываются «циклоны нестабильности» вблизи норвежского берега. Было выдвинуто предположение, что подобные циклоны развиваются так же, как и тропические, и рассмотрены возможные механизмы их формирования.

Недостаток контактных измерений в районах распространения ПЦ, а также их малые пространственные размеры и время существования приводят к тому, что ПЦ крайне редко проявляются на синоптических картах. Первые детальные исследования ПЦ начались в конце 60-х годов прошлого столетия с появлением искусственных спутников Земли. Для ранних этапов изучения ПЦ характерно рассмотрение отдельных случаев, базирующееся на визуальном анализе инфракрасных (ИК) изображений облачного покрова. С тех пор, за почти полвека, знания о природе этих явлений и механизмах, ответственных за их формирование и развитие, получили существенное развитие, связанное как с появлением новых спутников и приборов, так и с развитием методов их интерпретации, появлением локальных моделей или моделей высокого разрешения. Спутниковые снимки высокого разрешения позволили сделать выводы о частоте возникновения таких систем в обоих полушариях и проиллюстрировали широкий диапазон их проявлений на изображениях облачности.

Сегодня наука о ПЦ привлекает все новые и новые формы данных. В первую очередь, это данные активных и пассивных микроволновых инструментов. Данные микроволновых скаттерометров дают регулярную информацию о полях скорости приводного ветра над свободными ото льда морскими поверхностями. Помимо полей скорости ветра, микроволновые радиометры позволяют получать и поля водяного пара, жидкокапельной влаги облаков и осадков над океанами. Наконец, самолетные полеты в циклонах обеспечивают данными об объемной структуре

15

циклонов. Таким образом, в последние годы наука имеет в своем распоряжении беспрецедентное количество данных для изучения свойств ПЦ, что особенно ценно для высоких широт, отличающихся практическим отсутствием данных контактных измерений и наблюдений.

1.2 Особенности формирования полярных циклонов

Ранние теоретические работы рассматривали всего два механизма, ответственных за формирование ПЦ. Часть ученых (Harrold and Browning, 1969; Duncan, 1977) считали главной причиной образования ПЦ бароклинную неустойчивость, в то время как другая школа этой причиной называла условную неустойчивость второго рода (Rasmussen, 1979). Сегодня полагают, что в основе механизмов, ответственных за образование ПЦ, лежат как бароклинные, так и конвективные процессы, и оба процесса могут быть вовлечены в жизненный цикл одного ПЦ.

Поскольку причиной формирования ПЦ могут служить различные факторы, то их проявления на космических снимках могут быть самыми разнообразными. Некоторые, наиболее интенсивные, ПЦ в своем проявлении на спутниковых изображениях идентичны образам тропических циклонов, с мощными конвективными облаками, окружающими безоблачный «глаз». Это послужило причиной использования термина «арктический ураган» для описания наиболее сильных ПЦ. Обобщение исследований синоптической картины, сопровождающей зарождение ПЦ, позволяет провести некую условную классификацию механизмов, ответственных за их возникновение. Следует, однако, помнить, что в большинстве случаев имеет место взаимодействие ряда причин, и приведенная классификация служит лишь для выделения отдельных физических механизмов, связанных с зарождением ПЦ.

• Потоки активного и скрытого тепла

При движении холодной массы воздуха над относительно теплой водной поверхностью, происходит передача активного тепла от воды воздуху; что снижает

16

устойчивость приземного слоя атмосферы. Холодная масса воздуха обладает низкой потенциальной температурой, и происходит быстрая передача влажности в более холодный воздух через поток активного тепла. Облака обычно формируются вскоре после того, как воздушная масса начинает свое движение над океаном, означая высвобождение скрытого тепла. Эта глубокая конвекция часто связана с развитием

ПЦ.

В работе (Mullen, 1983) указывается, что само по себе движение холодных воздушных масс над теплыми океаническими водами не ответственно напрямую за циклогенез - оно лишь служит условием установления благоприятных условий для формирования ПЦ в ответ на другие внешние воздействия.

• Бароклинная неустойчивость

Бароклинная неустойчивость связана с вертикальным сдвигом среднего потока. Бароклинные неустойчивости возникают за счет потенциальной энергии, связанной со средними горизонтальными градиентами температуры.

Повышенные бароклинные зоны в приземном слое могут развиваться по различным причинам:

1) Поверхностные потоки могут стать параллельны краю пакового льда, создавая, таким образом, условия для образования резких бароклинных зон;

2) Конвергенция в поле скоростей ветра также может привести к образованию зон повышенной бароклинности. В этом случае ПЦ может образоваться на значительном расстоянии от ледовой кромки.

• Баротропная неустойчивость

Баротропная неустойчивость - это волновая неустойчивость, связанная с горизонтальным сдвигом в струйных течениях. Баротропные неустойчивости возникают за счет кинетической энергии среднего потока.

Баротропная неустойчивость может привести к образованию приземных вихрей сдвига. Эти вихри при благоприятных условиях могут развиться в ПЦ.

• Холодные высотные ложбины и депрессии

Если в холодной воздушной массе сформировались синоптические условия

типа приземной бароклинной волны, баротропного вихря сдвига или повышенной

17

конвекции, это необязательно приведет к образованию ПЦ. В случае прямого высотного потока с незначительной адвекцией вихря ПЦ не сформируется даже в случае очень низких температур в верхних слоях атмосферы (Rasmussen et al.,1992). Один из легко объяснимых механизмов формирования ПЦ - наличие холодной высотной ложбины и/или замкнутого высотного вихря с холодным ядром.

• Условная неустойчивость второго рода

Внешнее подобие в проявлениях полярных и тропических циклонов позволило многим исследователям полагать, что и механизмы формирования этих систем могут быть аналогичными. Условная неустойчивость второго рода представляет собой взаимодействие между мелкомасштабной конвекцией с образованием кучевых облаков и крупномасштабными возмущениями, при котором: 1) крупномасштабная конвергенция приводит к конвекции с образованием кучевых облаков; и 2) высвобождающееся при конденсации тепло, в свою очередь, является источником энергии для крупномасштабных систем.

• Неустойчивость взаимодействия океана и атмосферы

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Смирнова Юлия Ефимовна, 2016 год

Список использованных источников

1. Бухаров М.В., Геохланян Т.Х. Статистический анализ приводного ветра по спутниковым радиолокационным измерениям при мезоциклоне над Баренцевым морем // Метеорология и гидрология. 2000. № 5. С. 101-108.

2. Вельтищев Н.Ф., Степаненко В.М. Мезометеорологические процессы // М., Географический факультет МГУ. 2007.

3. Воробьев В.И. Синоптическая метеорология. // Учебное пособие. 1991. Гидрометеоиздат.

4. Голицын Г.С. Ураганы, полярные и тропические, их энергия и размеры, количественный критерий возникновения // Известия. 2008. Т. 44. №. 5.

5. Луценко Э.И. Мезомасштабный циклогенез над арктическими морями по спутниковым наблюдениям // Труды ААНИИ. 1999. Т. 441. С. 202-213.

6. Aakjaer P. D. Polar lows affecting Denmark // Tellus A. 1992. Vol. 44(2). 155-172.

7. Arctic Report Card, 2012.

8. Asplin, Matthew G., Ryan Galley, David G. Barber, and Simon Prinsenberg. Fracture of summer perennial sea ice by ocean swell as a result of Arctic storms // Journal of Geophysical Research. 2012. Vol. 117(C6).

9. Blechschmidt, A.-M. A 2-year climatology of polar low events over the Nordic Seas from satellite remote sensing // Geophysical Research Letters. 2008. Vol.35. L09815. doi:10.1029 /2008GL033706.

10.Bobylev, L. P., E. V. Zabolotskikh, L. M. Mitnik, and M. L. Mitnik Atmospheric water vapor and cloud liquid water retrieval over the Arctic Ocean using satellite passive microwave sensing, IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing. 2010. Vol. 48(1). 283-294. doi:10.1109/TGRS.2009.2028018.

11.Bobylev, L. P., E. V. Zabolotskikh, L. M. Mitnik, and M. L. Mitnik Arctic Polar Low Detection and Monitoring Using Atmospheric Water Vapor Retrievals from Satellite Passive Microwave Data // IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing. 2011. Vol. 49(9). 3302-3310. doi:10.1109/TGRS.2011.2143720.

12.Businger S. and R. Reed. Cyclogenesis in cold air masses // Weather Forecasting. 1989. Vol. 4(2). 133-156.

13. Bekryaev R. V., Polyakov I. V., Alexeev V. A. Role of polar amplification in long-term surface air temperature variations and modern Arctic warming //Journal of Climate. 2010. Vol. 23(14). 3888-3906.

14. Claud, C., B. M. Funatsu, G. Noer, and J. P. Chaboureau Observation of polar lows by the Advanced Microwave Sounding Unit: potential and limitations // Tellus A. 2009. Vol. 61(2). 264-277. doi:10.1111/j.1600-0870.2008.00384.x.

15. Claud, C., G. Heinemann, E. Raustein, and L. McMurdie Polar low le Cygne: Satellite observations and numerical simulations // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2004. Vol. 130. 1075-1102. doi:10.1256/qj.03.72.

16. Claud, C., N. M. Mognard, K. B. Katsaros, A. Chedin, and N. A. Scott Satellite observations of a polar low over the Norwegian Sea by special sensor microwave imager, Geosat, and TIROS-N operational vertical sounder // Journal of Geophysical Research. 1993. Vol. 98(C8). 14487-14506. doi:10.1029/93JC00650.

17. Condron, A., and Renfrew, I. A. The impact of polar mesoscale storms on northeast Atlantic Ocean circulation // Nature Geoscience. 2013. Vol. 6(1). 34-37.

18. Carleton A. Satellite climatological aspect of the «polar low» and «instant occlusion» // Tellus A. 1985. Vol. 37. 433-450.

19. Carleton A. M. and Carpenter D. A. Satellite climatology of «polar lows» and broadscale climatic associations for the Southern Hemisphere // International Journal of Climatology. 1990. Vol. 10. 219-246.

20. Chunchuzov I., Vachon P. W., Ramsay B. Detection and characterization of mesoscale cyclones in RADARSAT synthetic aperture radar images of the Labrador Sea //Canadian journal of remote sensing. 2000. Vol. 26(3). 213-230.

21. Comiso J. C., C. L. Parkinson, R. Gersten, and L. Stock Accelerated decline in the Arctic sea ice cover // Geophysical Research Letters. 2008. Vol. 35. L01703. doi:10.1029/2007GL03197.

22. Comiso J. C. Large decadal decline of the Arctic multiyear ice cover //Journal of

Climate. 2012. Vol. 25(4). 1176-1193.

105

23. Dannevig, P. Meteorologi for Flygere [in Norwegian]. Aschehoug. 1954. Oslo.

24. Duncan C. N. A numerical investigation of polar lows // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 1977. Vol. 103. 255-267.

25. Emanuel K. A. and R. Rotunno. Polar lows as arctic hurricanes // Tellus. 1989. vol. 41A. pp. 1-17.

26. Fu G., Guo J., Zang M. High-resolution simulation and analysis of the mature structure of a polar low over the Sea of Japan on 21 January 1997 // Advances in Atmospheric Sciences. 2004. Vol. 21(4). 597-608.

27. Guo J. et al. Analyses and numerical modeling of a polar low over the Japan Sea on 19 December 2003 //Atmospheric Research. 2007. Vol. 85(3). 395-412.

28. Harrold T. W., and K. A. Browning. The polar low as a baroclinic disturbance // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 1969. Vol. 95. 710-723.

29. Harold J. M., Bigg G. R. and Turner J. Mesocyclone activities over the north-east Atlantic. Part 1: vortex distribution and variability // International Journal of Climatology. 1999 (1). Vol. 19. 1187-1204.

30. Harold, J. M., Bigg G. R. and Turner J. Mesocyclone activities over the north-east Atlantic. Part 2: an investigation of causal mechanisms // International Journal of Climatology. 1999 (2). Vol. 19. 1283-1299.

31. Holton, J. R. An Introduction to Dynamical Meteorology // 4th ed. 2004. 529. Elsevier. New York.

32. Johannessen, O. M., Bengtsson, L., Miles, M. W., Kuzmina, S. I., Semenov, V. A., Alekseev, G. V., ... and Cattle, H. P. Arctic climate change: Observed and modelled temperature and sea-ice variability // Tellus A. 2004. Vol. 56(4). 328-341.

33. Kalnay E. and Coauthors. The NCEP/NCAR 40-Year Reanalysis Project // Bulletin of the American Meteorological Society 1996. Vol. 77. 437-471.

34. Kusaka H., Kataniwa S., Tanaka H.L. et al. Numerical simulation of polar low development over the Japan Sea using the WRF model // 2005 Joint WRF/MM5 User's Workshop. 19-22 June 2006. Boulder. Colorado. United States.

35. Kolstad, E., T. J. Bracegirdle, and I. A. Seierstad Marine cold-air outbreaks in the North Atlantic: Temporal distribution and associations with large-scale atmospheric circulation // Climate Dynamics. 2008. doi:10.1007/ s00382-008-0431-5.

36. Kolstad E. W., Bracegirdle T. J. Marine cold-air outbreaks in the future: an assessment of IPCC AR4 model results for the Northern Hemisphere // Climate Dynamics. 2008. Vol. 30(7-8). 871-885.

37. Kwok, R., and Untersteiner, N. The thinning of Arctic sea ice // Physics Today. 2011. Vol. 64(4). 36-41.

38. Laffineur T., C. Claud, J.-P. Chaboureau, and G. Noer Polar Lows over the Nordic Seas: Improved Representation in ERA-Interim Compared to ERA-40 and the Impact on Downscaled Simulations // Monthly Weather Review. 2014. Vol. 142. 2271-2289. doi:10.1175/MWR-D-13-00171.1.

39. Mullen S.: Explosive cyclogenesis associated with cyclones in polar air streams // Monthly Weather Review. 1983. Vol. 111. 1537-1553.

40. Moore, G.W., Reader, M.C., York, J. and Sathiyamoorthy, S. Polar lows in the Labrador Sea - a case study // Tellus A. 1996. Vol. 48. 17-40.

41. Moore R. W., Vonder Haar T. H. Diagnosis of a polar low warm core utilizing the Advanced Microwave Sounding Unit // Weather and forecasting. 2003. Vol. 18(5). 700-711.

42. Martin, R., and Moore, G. W. K. Transition of a synoptic system to a polar low via interaction with the orography of Greenland // Tellus A. 2006. Vol. 58(2). 236-253.

43. Marshall J., Schott F. Open-ocean convection: Observations, theory, and models // Reviews of Geophysics. 1999. Vol. 37(1). 1-64.

44. Mitnik L.M., Mitnik M.L., Gurvich I.A. Passive and active microwave sensing of winter mesoscale cyclones over the ocean // Proc. IGARSS'06. Denver. Colorado. 31 July-4 August 2006.

45. Mitnik M., Mitnik L., Gurvich I. Using Envisat ASAR for the study of winter mesoscale cyclones in the Asian Marginal Seas // ENVISAT Symposium. 23-27 April 2007. Montreux. Switzerland. Publication ESA SP-636.

46. Mitnik L.M., Mitnik M.L. Passive and active microwave sensing of cold air outbreaks over the Northwest Pacific Ocean // Proc. IGARSS'07. Barcelona. 23-27 July 2007.

47. Mitnik L.M., Mitnik M.L., Gurvich I.A. Severe weather study in middle and high oceanic latitudes using Aqua AMSR-E // Proc. IGARSS'08. Boston. 6-11 July 2008.

48. Meier, W., F. Fetterer, M. Savoie, S. Mallory, R. Duerr, and J. Stroeve (2013), NOAA/NSIDC Climate Data Record of Passive Microwave Sea Ice Concentration. Version 2. 1995-2009. National Snow and Ice Data Center. Boulder. Colo. doi: 10.7265/N55M63M1.

49. Noer G., Lien T. Dates and Positions of Polar lows over the Nordic Seas between 2000 and 2010 // Met. no report. 2010. Vol. 16.

50. Noer, G., 0. Saetra, T. Lien, and Y. Gusdal A climatological study of polar lows in the Nordic Seas // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2011. Vol. 137(660). 1762-1772. doi:10.1002/qj.846.

51. Ninomiya K., Nishimura T., Susuki T. et al. Polar low genesis over the east coast of the Asian continent simulated in an AGCM // Journal of the Meteorological Society of Japan. 2003. Vol. 81(4). 697-712.

52. Orvik K. A. and Niiler P. Major pathways of Atlantic water in the northern North Atlantic and Nordic Seas toward Arctic // Geophysical Research Letters. 2002. Vol. 29(19). 1896-1899.

53. Parkinson C. L., Comiso J. C. On the 2012 record low Arctic sea ice cover: Combined impact of preconditioning and an August storm // Geophysical Research Letters. 2013. Vol. 40(7). 1356-1361.

54. Rasmussen E. The polar low as an extratropical CISK disturbance // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 1979. Vol. 105(445). 531-549.

55. Rasmussen E. A case study of a polar low development over the Barents Sea // Tellus A. 1985. Vol. 37(5). 407-418.

56. Rasmussen, E.A., Pedersen, T.S., Pedersen, L.T. and Turner, J. Polar lows and arctic instability lows in the Bear Island region // Tellus A. 1992. Vol. 44. 133-54.

57. Rasmussen, E., and J. Turner Polar Lows: Mesoscale Weather Systems in the Polar Regions // Cambridge University Press. 2003. Cambridge. U. K.

58. Rojo, M., C. Claud, P. Mallet, G. Noer, A. Carleton, and M. Vicomte Polar low tracks over the Nordic Seas: a 14-winter climatic analysis // Tellus A. 2015. Vol. 67. 24660. doi: 10.3402/tellusa.v67.24660.

59. Sikora T. D., G. S. Young and N. S. Winstead. A novel approach to marine wind speed assessment using synthetic aperture radar // Weather and Forecasting. 2006. Vol. 21. 109-115.

60. Sikora, T. D., C. F. Dierking, and N. S. Winstead. Summary of the North Pacific Environmental Satellite Workshop for Coastal and Marine Applications // National Weather Digest. 2008. Vol. 32. 55-60.

61. Serreze M. C., Barrett A. P. The summer cyclone maximum over the central Arctic Ocean // Journal of Climate. 2008. Vol. 21(5). 1048-1065.

62. Serreze M. C., Barry R. G. Processes and impacts of Arctic amplification: A research synthesis // Global and Planetary Change. 2011. Vol. 77(1). 85-96.

63. Wu, B., Wang, J., & Walsh, J. Possible feedback of winter sea ice in the Greenland and Barents Seas on the local atmosphere // Monthly Weather Review. 2004. Vol. 132(7). 1868-1876.

64. Wilhelmsen, K. Climatological study of gale-producing polar lows near Norway // Tellus A. 1985. Vol. 37. 451-459. doi:10.1111/j.1600-0870.1985.tb00443.x.

65. Wentz F. J. Measurement of oceanic wind vector using satellite microwave radiometers // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1992. Vol. 30(5). 960-972.

66. Wentz, F. J. A well-calibrated ocean algorithm for special sensor microwave/imager // Journal of Geophysical Research. 1997. Vol. 102(C4). 8703-8718. doi:10.1029/96JC01751.

67. Yanase W., Fu G., Niino H., Kato T. A polar low over the Japan Sea on 21 January 1997. Part II: A numerical study // Monthly Weather Review. 2004. Vol. 132. 1552-1574.

68. Young G.S., Sikora T.D., Winsted N.S. Use of synthetic aperture radar in finescale surface analysis of synoptic-scale front at sea // Weather and Forecasting. 2005. Vol. 20(6). 311-327.

69. Young G. S., T. D. Sikora, and N. S. Winstead. Mesoscale near-surface wind speed variability mapping with synthetic aperture radar // Sensors. 2008. Vol. 8. 70127034.

70. Zahn, M., H. von Storch, and S. Bakan Climate mode simulation of North Atlantic polar lows in a limited area model // Tellus A. 2008. Vol. 60(4). 620-631. doi: 10.1111/j.1600-0870.2008.00330.x.

71. Zahn M., and H. von Storch A long term climatology of North Atlantic polar lows // Geophysical Research Letters. 2008. Vol. 35(22). doi:10.1029/2008GL035769.

72. Zahn M., and H. von Storch Decreased frequency of North Atlantic polar lows associated with future climate warming // Nature. 2010. Vol. 467. 309-312. doi: 10.1038/nature09388.

Приложение A. Свидетельство о регистрации базы данных полярных циклонов по данным микроволнового радиометра SSM/I с 1995 по 2009 для морей СевероЕвропейского бассейна

Приложение Б. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Полуавтоматический метод расчета параметров поялрных циклонов в высоких широтах (SIMPLe)»

Приложение В. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Метод построения визуализации траектории движения полярных циклонов в высоких широтах по данным спутниковых пассивных микроволновых радиометров (У1гТиАЬ)»